0 引言

海底管道和海底电缆在海上油气田开发中发挥着关键作用，维护海底管缆的安全是保证海洋油气田开发和保护海洋环境的重要保障。海底管缆长期处在复杂的海底环境中，随着海洋环境的变化和人类海洋活动的增加，海底管缆因波浪和海流的冲刷等因素作用产生悬空，从而可能导致管缆疲劳或者破坏，引发海上重大污染事故。本文针对海底管缆的冲刷机理和冲刷起动条件进行分析，提出了一种海底管缆防冲刷保护装置，以有效减小海流的强度，从而增加海床的抗冲刷能力，减少海管发生裸露和悬空风险，提高海管运行安全性^[1-3]。

1 海底管缆冲刷机理

海底管道的局部冲刷是由于海底管道的存在改变了管道周围的流场，海管附近泥沙的运移能力增强，导致海管下方海床沉积物的减少从而形成冲刷坑。在同样的外界环境下，置于海床表面的管道相比于埋设的管道，更容易产生局部冲刷并引起悬跨。

根据底床剪切应力的大小，可以将管道周围的局部冲刷分为两类：清水冲刷与动床冲刷。清水冲刷指的是远离结构物（远场）位置处的泥沙未发生运动，仅在管道周围产生输运的情况，此时 θ_∞ ≤ θ_cr，θ_∞为远场的希尔兹数；动床冲刷指的是整个床面都发生泥沙输运的情况，此时 θ_∞ > θ_cr。

2 一种海底管缆防冲刷保护装置

一种海底管缆防冲刷装置，包括防冲刷孔板、迎流板、背流板、固定锚桩、底板、防冲刷孔。图1为装置示意图，图2为迎流板的俯视。图中标号分别为：1为防冲刷孔板、2为迎流板、3为背流板、4为固定锚桩、5为底板、6为海底管缆。

图1 一种海底管缆防冲刷保护装置示意图          图2 迎流板的俯视图

迎流板、背流板和底板共同围成一个三棱柱状的斜坡，底板与海床接触并通过固定锚桩将防冲刷装置固定在海床上。在迎流板上垂直于迎流板表面布置有5排相互平行的防冲刷孔板，每个防冲刷孔板的长度方向均与海底管缆轴线平行。另外，也可根据实际海流强度增加防冲刷孔板的数量，数量单数为宜。防冲刷孔板上均匀布置多个防冲刷孔，相邻两个防冲刷孔板的防冲刷孔交错分布，即后一排孔板的板体覆盖前一排孔板的防冲刷孔。如图4-5所示，本装置有两种防冲刷孔板，其中一种防冲刷孔板上形成五个防冲刷孔，另一种防冲刷孔板上形成六个防冲刷孔，两种防冲刷孔板前后固定在迎流板后，便可实现相邻两个防冲刷孔板的防冲刷孔交错分布。

本装置的工作原理是：海流流经本装置时，海流会沿着迎流板向斜上方流动。当遇到第一排防冲刷孔板时，海流会受到阻隔，部分海流从防冲刷孔流过，且流速降低。当流经第二排防冲刷孔板时进一步受到阻挡，以此类推，海流经过多排防冲刷孔板时，流速持续降低。最终流经海底管缆时的流速小于泥沙启动速度，水流夹带的泥沙在管缆周围淤积，起到了防止海流冲刷的作用。

该装置中防冲刷孔板、迎流板、背流板、固定锚桩、底板的材质均为钢材，互相之间均为焊接连接，厚度为10-20mm。该防冲刷装置安装在海水环境中，所有金属部件使用耐腐蚀、不易生锈的材质，以免该装置被腐蚀。

整个斜坡式孔板防冲刷装置可在陆地完成预制，安装时，将装置通过起重装置放置在迎流侧，然后潜水员利用水下打桩设备将固定锚桩打入海床，对装置进行固定。拆除时，将吊钩勾住防冲刷孔向上吊起，即可将本装置从海床上解脱。对于处在对流环境下的海底管缆，在管缆两侧各布置一个斜坡式孔板防冲刷装置即可。

该装置可以有效减小海流的强度，从而增加海床的抗冲刷能力，减少海管发生裸露和悬空风险，提高海管运行安全性。该装置结构简单，成本较低，安装简便，结构稳固，适用于各种海床条件，实用性强。

3结论

海底的波流条件会引起海底管缆附近的冲刷，冲刷会导致海底管缆的悬跨，进而威胁海底管缆的安全。本文针对海底管缆周围局部冲刷的机理进行分析，同时根据前人的研究，对冲刷的起动条件进行阐述，指出管道下方的泥沙起动方式与远场泥沙不同。同时根据工程实际提出了一种海底管缆防冲刷保护装置，以有效减小海流的强度，从而增加海床的抗冲刷能力，减少海管发生裸露和悬空风险，提高海管运行安全性。

参考文献

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[2] Yee-Meng Chiew. Mechanics of local scour around submarine pipelines[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 116(4): 515-529.

[3]孙青，闫庆勋，于洋. 南海管道悬跨动态发展特征及防治措施[J]. 化学工程与装备. 2023（2）：92-935.